Certains types de pollution de l'eau, comme les proliférations d'algues et les plastiques qui encrassent les rivières, des lacs, et les milieux marins, se trouvent à la vue de tous. Mais d'autres contaminants ne sont pas si facilement apparents, ce qui rend leur impact potentiellement plus dangereux. Parmi ces substances invisibles se trouve l'uranium. Lessivage dans les ressources en eau des opérations minières, sites de déchets nucléaires, ou à partir de gisements souterrains naturels, l'élément peut maintenant être trouvé s'écoulant des robinets dans le monde entier.

Aux États-Unis seulement, « de nombreuses zones sont touchées par la contamination à l'uranium, y compris les aquifères des Hautes Plaines et de la Vallée Centrale, qui alimentent en eau potable 6 millions de personnes, " dit Ahmed Sami Helal, un post-doctorat au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires. Cette contamination représente un danger proche et présent. "Même de petites concentrations sont mauvaises pour la santé humaine, " dit Ju Li, la Battelle Energy Alliance Professeur de science et d'ingénierie nucléaires et professeur de science et d'ingénierie des matériaux.

Maintenant, une équipe dirigée par Li a mis au point une méthode très efficace pour éliminer l'uranium de l'eau potable. Application d'une charge électrique à une mousse d'oxyde de graphène, les chercheurs peuvent capturer l'uranium en solution, qui précipite sous forme de cristal solide condensé. La mousse peut être réutilisée jusqu'à sept fois sans perdre ses propriétés électrochimiques. « En quelques heures, notre procédé peut purifier une grande quantité d'eau potable en dessous de la limite EPA pour l'uranium, " dit Li.

Un article décrivant ce travail a été publié cette semaine Matériaux avancés . Les deux premiers co-auteurs sont Helal et Chao Wang, un post-doctorat au MIT pendant l'étude, qui est maintenant à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Tongji, Shanghaï. Chercheurs du Laboratoire National d'Argonne, Université nationale Chiao Tung de Taïwan, et l'Université de Tokyo ont également participé à la recherche. La Defense Threat Reduction Agency (Département de la Défense des États-Unis) a financé les étapes ultérieures de ce travail.

Cibler le contaminant

Le projet, lancé il y a trois ans, a commencé comme un effort pour trouver de meilleures approches pour le nettoyage environnemental des métaux lourds des sites miniers. À ce jour, méthodes d'assainissement pour des métaux tels que le chrome, cadmium, arsenic, mener, Mercure, radium, et l'uranium se sont avérés limités et coûteux. « Ces techniques sont très sensibles aux matières organiques de l'eau, et sont médiocres pour séparer les contaminants de métaux lourds, " explique Helal. " Ils impliquent donc de longs temps de fonctionnement, des coûts d'investissement élevés, et en fin d'extraction, générer plus de boues toxiques.

A l'équipe, l'uranium semblait une cible particulièrement attrayante. Des tests sur le terrain du Service géologique des États-Unis et de l'Agence de protection de l'environnement (EPA) ont révélé des niveaux malsains d'uranium se déplaçant dans les réservoirs et les aquifères à partir de sources rocheuses naturelles dans le nord-est des États-Unis, des étangs et des fosses stockant de vieilles armes nucléaires et du carburant dans des endroits comme Hanford, Washington, et des activités minières situées dans de nombreux États occidentaux. Ce type de contamination est également répandu dans de nombreux autres pays. Un nombre alarmant de ces sites montrent des concentrations d'uranium proches ou supérieures au plafond recommandé par l'EPA de 30 parties par milliard (ppb) - un niveau lié aux lésions rénales, risque de cancer, et les changements neurocomportementaux chez l'homme.

Le défi critique consistait à trouver un processus de dépollution pratique exclusivement sensible à l'uranium, capable de l'extraire de la solution sans produire de résidus toxiques. Et tandis que des recherches antérieures ont montré que la fibre de carbone chargée électriquement pouvait filtrer l'uranium de l'eau, les résultats étaient partiels et imprécis.

Wang a réussi à résoudre ces problèmes, sur la base de son enquête sur le comportement de la mousse de graphène utilisée pour les batteries lithium-soufre. « Les performances physiques de cette mousse étaient uniques en raison de sa capacité à attirer certaines espèces chimiques à sa surface, " dit-elle. " Je pensais que les ligands de la mousse de graphène fonctionneraient bien avec l'uranium. "

Simple, efficace, et propre

L'équipe s'est mise au travail pour transformer la mousse de graphène en l'équivalent d'un aimant en uranium. Ils ont appris qu'en envoyant une charge électrique à travers la mousse, fractionnement de l'eau et libération d'hydrogène, ils pourraient augmenter le pH local et induire un changement chimique qui retirerait les ions uranium de la solution. Les chercheurs ont découvert que l'uranium se grefferait à la surface de la mousse, où il a formé un hydroxyde d'uranium cristallin inédit. A l'inversion de la charge électrique, le minéral, qui ressemble à des écailles de poisson, glisse facilement de la mousse.

Il a fallu des centaines d'essais pour obtenir la composition chimique et l'électrolyse parfaites. "Nous avons continué à changer les groupes chimiques fonctionnels pour les faire fonctionner correctement, " dit Helal. " Et la mousse était au départ assez fragile, ayant tendance à se briser en morceaux, nous devions donc le rendre plus solide et plus durable, " dit Wang.

Ce procédé de filtration de l'uranium est simple, efficace, et propre, selon Li :« Chaque fois qu'il est utilisé, notre mousse peut capter quatre fois son propre poids d'uranium, et nous pouvons atteindre une capacité d'extraction de 4, 000 mg par gramme, ce qui constitue une amélioration majeure par rapport aux autres méthodes, " dit-il. " Nous avons également fait une percée majeure dans la réutilisabilité, car la mousse peut subir sept cycles sans perdre son efficacité d'extraction." La mousse de graphène fonctionne aussi bien dans l'eau de mer, où il réduit les concentrations d'uranium de 3 parties par million à 19,9 ppb, montrant que les autres ions de la saumure n'interfèrent pas avec la filtration.

L'équipe estime que son faible coût, dispositif efficace pourrait devenir un nouveau type de filtre à eau domestique, montage sur des robinets comme ceux des marques commerciales. "Certains de ces filtres ont déjà du charbon actif, alors peut-être pourrions-nous les modifier, ajouter de l'électricité basse tension pour filtrer l'uranium, " dit Li.

"L'extraction d'uranium que cet appareil réalise est très impressionnante par rapport aux méthodes existantes, " dit Ho Jin Ryu, professeur agrégé d'ingénierie nucléaire et quantique au Korea Advanced Institute of Science and Technology. Ryû, qui n'a pas participé à la recherche, estime que la démonstration de la réutilisation de la mousse de graphène est une "avancée significative, " et que " la technologie de contrôle local du pH pour améliorer les dépôts d'uranium aura un impact parce que le principe scientifique peut être appliqué plus généralement à l'extraction de métaux lourds à partir d'eau polluée ".

Les chercheurs ont déjà commencé à étudier des applications plus larges de leur méthode. "Il y a une science à cela, afin que nous puissions modifier nos filtres pour être sélectifs pour d'autres métaux lourds tels que le plomb, Mercure, et cadmium, " dit Li. Il note que le radium est un autre danger important pour les localités aux États-Unis et ailleurs qui manquent de ressources pour une infrastructure d'eau potable fiable.

"À l'avenir, au lieu d'un filtre à eau passif, nous pourrions utiliser un filtre intelligent alimenté par une électricité propre qui active l'action électrolytique, qui pourrait extraire de multiples métaux toxiques, vous dire quand régénérer le filtre, et vous donner l'assurance de la qualité de l'eau que vous buvez."